В предыдущей статье был описан путь превращения отливки в «по-взрослому» крупногабаритную, ответственную деталь - вал-шестерню, применяемую в изделиях тяжёлого машиностроения. Эта же статья посвящена вопросу не менее интересному — процессу «рождения» отливки, из которой впоследствии, в результате разнообразных обработок, появляется деталь сложного производственного изделия или оборудования.
Начинается этот процесс с подготовки модели, точно повторяющей конфигурацию и размеры будущей литой детали, и именно в эту полость будет залит горячий металл, прошедший путь своего развития от металлолома (скрапа), с разными историями «жизни», до продукта с выверенным химическим составом, полученным в результате плавки. Рассмотрим подробнее этапы этого пути на примере тольяттинского завода «Волгацеммаш».
Модельное производство
Для создания модели недостаточно просто взять готовую деталь и сделать по ней форму. Нужен специальный «позитивный» шаблон (модель), вокруг которого в форме будет уплотняться песчаная смесь, формируя «негативную» полость будущей детали, точно повторяющую контуры модели. В эту полость и зальют расплавленный металл.
Но модель — это не просто копия детали, она имеет несколько важных особенностей:
- литейные уклоны: на вертикальные стенки модели добавляют небольшие уклоны (обычно 1-3°), чтобы модель можно было легко извлечь из формы, не разрушив ее;
- припуски на усадку: металл при остывании уменьшается в объеме (усаживается), поэтому размеры модели делают на 1.5-2.5% (в зависимости от сплава) больше, чем размеры готовой детали, это компенсирует усадку;
- галтели и закругления: все острые внутренние углы на модели заменяют плавными закруглениями (галтелями), что предотвращает образование трещин в детали при литье и охлаждении, поскольку углы являются концентраторами напряжений;
- припуски на механическую обработку: на те поверхности детали, которые впоследствии будут обрабатываться на станках (токарных, фрезерных и т.д.), на модели добавляют дополнительный слой металла (припуск);
- если деталь имеет внутренние полости (например, отверстия каналов), то для их формирования используются стержни, для точной установки которых в модели создают, в виде углублений, специальные выступы — "знаки".
Модели бывают цельные (неразъёмные) и разъёмные, состоящие из двух и более частей (части фиксируются друг с другом с помощью центрирующих штырей).
В зависимости от материала изготовления модели делятся на деревянные (дешевизна, простота обработки, но — недолговечность и гигроскопичность), металлические (алюминий, чугун, сталь: прочность, износостойкость, точность размеров, долговечность, но — высокая стоимость и трудоёмкость изготовления), пластмассовые (полиуретановые, эпоксидные: легкие, не коробятся, хорошо обрабатываются, стойкие к влаге, но - менее прочны, чем металлические) и гипсовые и цементные (используются для уникальных крупных отливок (например, в художественном литье).
Технологический процесс модельного производства:
- конструкторская подготовка: на основе чертежа готовой детали конструктор-модельщик разрабатывает чертеж модели со всеми припусками, уклонами и галтелями;
- изготовление модели: модель изготавливается в модельном цехе - деревянные модели: выпиливаются, вытачиваются, шлифуются; металлические модели: фрезеруются на ЧПУ-станках, отливаются и доводятся;
- сборка модельных комплектов: модель крепят на специальную плиту (модельную плиту), к которой также крепятся элементы литниковой системы (каналы для заливки металла, питатели, выпоры);
- контроль качества: готовая модель тщательно проверяется на соответствие чертежу с помощью мерительного инструмента и, в современных условиях, 3D-сканирования.
Для изготовления литейных форм используются холодно-твердеющие смеси (ХТС) — многокомпонентные формовочные смеси, которые способны самостоятельно затвердевать при комнатной температуре с образованием прочной песчаной оснастки (форм и стержней) и, следовательно, позволяющие избежать использование тепловой сушки, что кардинально отличает их от классических жидкостеклистых смесей или смесей с глиной.
Основные компоненты холодно-твердеющих смесей:
- наполнитель: кварцевый песок (93-97% смеси) и специальные пески - циркониевый, хромитовый, оливиновый (используются для получения особых свойств - повышенная теплопроводность, чистота поверхности);
- связующее(смола, полимер): вещество, которое при затвердевании связывает зерна песка между собой;
- отвердитель(катализатор): вещество, инициирующее процесс полимеризации и отверждения связующего (органические или неорганические кислоты, которые добавляются в смесь одновременно со связующим, или газы (амины — производные аммиака, SO2), которые продуваются через уже уплотненную смесь.
Типичное соотношение: песок (95-98%) + Связующее (0.8-2.0%) + Отвердитель (20-50% от массы связующего).
Общая схема технологического процесса для всех типов ХТС:
- подготовка и дозирование: песок, связующее и отвердитель подаются в точных пропорциях в смеситель;
- смешивание: компоненты тщательно перемешиваются в течение 20-30 секунд поскольку очень важно обеспечить равномерное покрытие каждой песчинки связующим, для этого используются высокоскоростные лопастные или шнековые смесители непрерывного действия;
- заполнение оснастки: готовая смесь засыпается в опоку (ящик, который удерживает формовочную смесь), в которой уже находится модель;
- уплотнение: смесь уплотняется для придания ей плотности и устранения пустот (виброуплотнение), в этот момент смесь заполняет все полости и точно повторяет контуры модели;
- отверждение: смесь затвердевает при комнатной температуре;
- извлечение модели: после того как смесь набрала прочность, модель извлекают.
Таким образом, модель служит "болванкой", вокруг которой формируется песчаная форма из ХТС. С целью защиты поверхности формы от пригара металла, улучшения чистоты поверхности отливки, на уже готовую песчаную форму (или стержень) наносят кистью (или распылением) жидкую краску или обмазку.
Агрегаты для изготовления ХТС:
— это высокотехнологичные комплексы, предназначенные для точного дозирования, смешивания и подачи компонентов смеси. От их работы напрямую зависят качество и прочность будущих литейных форм и стержней.
Полноценная линия приготовления ХТС включает песочную систему (бункеры, дозаторы), систему подачи связующих и отвердителей (баки-накопители для хранения смол и катализаторов, насосные станции для подачи жидкостей, дозаторы связующего и отвердителя), транспортную систему (ленточные или скребковые транспортеры для подачи песка из бункеров, пневмотранспорт для подачи готовой смеси к формовочным машинам) и систему управления (оператор задает рецепт -процент связующего, время смешивания - и система автоматически управляет всеми дозаторами, заслонками и смесителем).
Производительность агрегатов для изготовления ХТС измеряется в тоннах готовой смеси в час (т/ч) или, для малых установок, в килограммах за цикл (кг/цикл). На заводе Волгацеммаш используется установка лопастная с производительностью до 100 т/ч холодно-твердеющих смесей.
Актуальные тенденции модельного производства:
Цифровые технологии (CAD/CAM/CAE):
- чертежи модели создаются в системах автоматизированного проектирования (CAD — Computer-Aided Design);
- технологи проводят компьютерное моделирование процесса литья (CAE — Computer-Aided Engineering), чтобы заранее предсказать возможные дефекты (раковины, трещины) и оптимизировать конструкцию модели и литниковой системы;
- управляющие программы для ЧПУ-станков генерируются автоматически (CAM — Computer-Aided Manufacturing).
Быстрое прототипирование (3D-печать):
- технологии: стереолитография (SLA - Stereolithography), селективное лазерное спекание (SLS — Selective Laser Sintering), струйная печать - позволяют за часы или дни изготовить сложнейшую модель прямо по CAD-файлу, без традиционной механической обработки.
Аддитивное производство литейных форм — это прямая 3D-печать литейных форм на принтерах типа Voxeljet или ExOne. В этом случае необходимость в физической модели отпадает вообще. Форма создается непосредственно из цифровой модели детали послойным нанесением песка со связующим.
Сталеплавильное и литейное производство
Подготовка сырья для плавки
Основными видами сырья для электродуговых печей (ЭДП) являются стальной лом (скрап), чугун (передельный, литейный) и прямо восстановленное железо — железорудное сырьё (окатыши, руда), из которого кислород удалён без плавления (с помощью газа или угля). К вспомогательным материалам относятся флюсы (известь — CaO, плавиковый шпат — CaF2, доломит CaCO3*MgCO3), легирующие и раскисляющие добавки (ферросплавы: FeSi, FeMn, FeCr, FeV, FeMo и др., алюминий).
Перед загрузкой стального лома в печь происходит его подготовка в копровом отделении сталеплавильного цеха, куда поступает лом разных видов. В копровом отделении лом сортируется по маркам стали и по габаритам, затем подвергается резке (рубке) и пакетированию (брикетированию), с целью увеличения плотности загрузки в печь и ускорения процесса загрузки.
Расчет состава шихтовых материалов
После подготовки литейной формы и стального лома, перед началом процесса плавки технологом-плавильщиком производится расчет химического состава шихтовых материалов (этап планирования). На основе технических требований к стали (марка стали, ГОСТ, ТУ) технолог рассчитывает, сколько и каких материалов нужно загрузить в печь, чтобы после плавления шихты получился расплав с определенным химическим составом.
Исходными данными для расчета являются марка стали (целевой состав: требуемое содержание углерода (C), кремния (Si), марганца (Mn), хрома (Cr), никеля (Ni) и других элементов), масса плавки и химический состав шихтовых материалов (стальной лом, чугун, ферросплавы и легирующие добавки — Ni, Mo, Cr, Cu и др.). Расчет ведется по балансовому методу для каждого элемента. Упрощённо формулу для расчета можно представить следующим образом:
(Масса_лома1 × %C_лома1) + (Масса_лома2 × %C_лома2) + (Масса_чугуна × %C_чугуна) + ... = Масса_расплава × %C_целевого.
Очень важен учет потерь: технолог должен учитывать, что часть элементов выгорает (окисляется) в процессе плавки: сильно выгорают: кремний (Si), алюминий (Al), титан (Ti), марганец (Mn), умеренно выгорает: углерод (C) — его горением управляют, практически не выгорают: никель (Ni), молибден (Mo), медь (Cu). Поэтому в шихту эти элементы закладывают с припуском на угар.
Результатом расчетов является шихтовая ведомость — точный рецепт плавки.
Контроль состава в процессе плавки
После загрузки и расплавления шихты начинается этап непрерывного контроля и корректировки состава - контроль химического состава в процессе плавки (этап исполнения и коррекции).
Основные стадии контроля:
- стадия расплавления (шихта плавится, начинается окисление примесей): визуальное наблюдение, измерение температуры - точный контроль состава на этой стадии затруднён;
- стадия окисления, на которой происходит удаление избытка фосфора, углерода, кремния и других нежелательных примесей: сталевар или лаборант берут пробу металла специальной ложкой — пробником и немедленно направляют её на лабораторное исследование химического сплава, которое проводится непосредственно в цехе; пробу заливают в специальную форму, охлаждают и на оптическом эмиссионном спектрометре, за 2-3 минуты получают полный химический состав с высокой точностью; на основе анализа технолог принимает решение — добавить ли кислород для «сжигания» углерода, добавить ли флюсы для удаления фосфора и т.п.
- стадия доводки и легирования (самая ответственная): после удаления нежелательных примесей расплав имеет состав, близкий к целевому, но с пониженным содержанием легирующих элементов - снова берутся пробы и анализируются на спектрометре, после чего, на основе полученных данных, технолог рассчитывает точное количество присадок - ферросплавов и легирующих добавок (FeMn, FeSi, FeCr, Ni, Mo и т.д.), которые нужно добавить в печь или в ковш для точного попадания в заданный химический состав; после растворения присадок обязательно берется новая проба для подтверждения, что состав соответствует требуемому;
- стадия раскисления: с целью удаления из металла избыточного кислорода, который может образовывать раковины и ухудшать свойства, производится ввод раскислителей (алюминий, ферротитан, ферросилиций, силикокальций); контроль осуществляется косвенно, по виду пробы ("усадочная раковина") или с помощью специальных датчиков активности кислорода.
Для контроля химического состава металла в процессе плавки эффективно использование программного обеспечения, интегрированного со спектрометром, позволяющего автоматически рассчитывать массу необходимых присадок на основе результатов экспресс-анализа, что минимизирует человеческую ошибку. Системы непрерывного мониторинга - датчики, погружаемые в металл, для измерения температуры и активности кислорода в реальном времени — также полезны при контроле расплава.
Заливка металла в литейную форму
После достижения заданного химического состава расплавленный металл необходимо доставить из печи к литейной форме. Наиболее часто для этого используется переливка расплава в ковш и транспортировка заполненного ковша мостовым краном в зону заливки форм.
В литейном пролете ковш либо устанавливается на подставку (для ручной или механизированной заливки), либо подвешивается на кране, который последовательно подъезжает к рядам готовых литейных форм. Рабочие-заливщики (или автоматизированная система) открывают затвор ковша, и металл по литниковой чаше заливается в форму.
Извлечение отливки из литейной формы
После затвердевания металла приступают к извлечению отливки из литейной формы. Это завершающий и очень ответственный этап литейного процесса, известный как выбивка. Извлечение происходит только после того, как отливка полностью затвердела и остыла до безопасной температуры. Слишком ранняя выбивка может привести к деформации отливки из-за её недостаточной прочности и образованию трещин из-за внутренних напряжений.
Время выдержки в форме зависит от массы, конфигурации отливки и материала (например, чугун остывает дольше, чем алюминий).
Процесс извлечения выглядит по-разному для мелких и крупных отливок, но общая последовательность такова:
- разборка формы: снятие стяжек и грузов: первым делом убирают все устройства, которые скрепляли опоки (скобы, болты, грузы);
- разъем формы: верхнюю опоку (полуформу) поднимают и убирают с помощью крана или вручную, после чего отливка остаётся лежать в нижней опоке;
- выбивка, её проводят на специальном оборудовании — выбивной решетке или выбивной установке. Для средних и мелких отливок: форму вместе с отливкой помещают на вибрирующую решетку (виброгрохот). Включенная вибрация разрушает песчаную форму, и её частицы (формовочная смесь) просыпаются через решетку вниз, на транспортер для регенерации. Сама отливка, как более крупный и прочный объект, остается на решетке и в конце концов скатывается или сбрасывается с неё на ленту для дальнейшей транспортировки.
Для крупных и тяжелых отливок: используются более мощные манипуляторы или краны. Отливку в нижней опоке подцепляют и поднимают. При этом большая часть формы разрушается под собственным весом. Для окончательной очистки от остатков смеси отливку могут несколько раз встряхнуть краном или обработать пневматическими молотками.
Извлеченная отливка имеет неприглядный вид и требует серьезной доработки:
- охлаждение: иногда отливку после выбивки отправляют на специальный участок для медленного и контролируемого охлаждения, чтобы снять остаточные напряжения;
- очистка остатки пригоревшей формовочной смеси удаляют с помощью пескоструйных, дробеструйных или гидроструйных аппаратов;
- обрубка: с отливки срубают или отрезают элементы литниковой системы (каналы, через которые заливали металл), выпоров (каналы для выхода газов) и прибылей (емкости для питания массивных узлов при усадке); делается это газовыми горелками, отрезными пилами, пресс-ножницами или на обрубных прессах;
- зачистка: места обрубки зачищаются шлифовальными кругами до гладкой поверхности;
- термообработка: для снятия внутренних напряжений и придания необходимых механических свойств отливку часто отправляют на отжиг, нормализацию или закалку с отпуском;
- контроль качества: готовая отливка проходит визуальный, геометрический контроль, а при необходимости — неразрушающий контроль (рентген, ультразвук).
Заключение
Производство отливки — это высокотехнологичная цепочка взаимосвязанных этапов, где точность и контроль являются залогом качества. Путь от груды металлолома до отливки, прообраза детали, включает в себя подготовку литейной формы, шихтовых материалов (на основе расчёта химического состава), непрерывного контроля за химическим составом в процессе плавки, заливку расплава в литейную форму, извлечение затвердевшей отливки и её очистку, термообработку и финальный контроль качества. В результате проведённых технологических операций появляется отливка, готовая к дальнейшим обработкам, преобразующим её в деталь, которой предстоит долгая служба в составе сложных и ответственных изделиях и агрегатах.